Bi2Te3基薄膜材料熱電性能研究.pdf

1、熱電材料能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換，通常用于熱電發(fā)電和制冷器件。隨著納米科技的進(jìn)步和制備技術(shù)的提高，涌現(xiàn)出大量在低維材料中取得高ZT值的報(bào)道，掀起了熱電材料的研究熱潮。Bi2Te3基熱電薄膜由于界面散射效應(yīng)和量子限制效應(yīng)使其熱導(dǎo)率降低的同時(shí)還能保持較大的功率因子，因而具有獲得高熱電優(yōu)值的潛力，備受研究者們的青睞。然而對(duì)其熱電性能的研究大都集中在室溫附近，超晶格材料中GeTe/Bi2Te3的ZT值鮮有報(bào)道。本文系統(tǒng)地研究了Bi2Te3薄

2、膜和GeTe/Bi2Te3超晶格的電輸運(yùn)特性和熱傳導(dǎo)特性，分析了膜厚以及溫度對(duì)其熱電性能的影響。
　　本文研究的Bi2Te3薄膜和GeTe/Bi2Te3超晶格均采用磁控濺射法制備，分別測(cè)試了退火后的薄膜在變溫下的Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率以及熱導(dǎo)率。結(jié)合相關(guān)的模型，從理論計(jì)算入手，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，闡述了薄膜中載流子和聲子的傳輸機(jī)制。
　　利用經(jīng)典尺寸效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)分別分析了Bi2Te3薄膜和GeTe/Bi2Te3超

3、晶格電學(xué)性能隨厚度的變化規(guī)律。采用Hicks提出的三維塊體材料和二維量子阱材料中載流子的輸運(yùn)特性分析了溫度對(duì)Bi2Te3薄膜和GeTe/Bi2Te3超晶格電學(xué)性能的影響。通過(guò)研究，退火能使薄膜從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。晶態(tài)Bi2Te3薄膜在170℃最大的Seebeck系數(shù)和功率因子分別達(dá)475μV/K和7mW/(m·K2)；晶態(tài)GeTe/Bi2Te3超晶格在100℃左右Seebeck系數(shù)和功率因子達(dá)最大，分別為232μV/K和1.34mW/(

4、m·K2)。
　　采用3ω法測(cè)試了不同溫度下薄膜的熱導(dǎo)率，測(cè)得GeTe/Bi2Te3超晶格的熱導(dǎo)率均低于Bi2Te3薄膜，室溫下超晶格的熱導(dǎo)率低至0.173W/mK。Bi2Te3薄膜的ZT值在170℃高達(dá)1.56，超過(guò)常規(guī)的塊體材料。GeTe/Bi2Te3超晶格的ZT值最高只有0.76，主要是由于載流子的散射效應(yīng)導(dǎo)致功率因子過(guò)低。本文的研究表明，通過(guò)設(shè)計(jì)最佳的薄膜厚度以及適用的溫度環(huán)境，能夠顯著提高Bi2Te3基薄膜材料的ZT值，